鋼筋混凝土筒倉群定向拆除爆破

劉 迪，郭文華，顧 云，陳仁康，蔡高文，李 飛

(1.核工業(yè)南京建設集團有限公司，南京 210000 ；2.蘇州市公安局，江蘇 蘇州 215131)

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

待拆除結構物為聯(lián)峰鋼鐵(張家港)有限公司焦化項目筒倉，周邊環(huán)境較復雜。筒倉東側距離聯(lián)豐大橋最近處約190 m，距離七干河最近處約44 m，距離順昌節(jié)能科技有限公司最近處約107 m;南側距離中昌涂料有限公司最近約185 m；西側距離管道輸送帶最近約29 m，距離事業(yè)部辦公樓最近約123 m，距離煤氣管道最近約41 m；西南側距離正在施工轉運爐工地最近約201 m；西北側距離待拆除萬順園小區(qū)最近約171 m；北側距離常福路最近約58 m，距離紅旗路最近約107 m，距離永聯(lián)特種養(yǎng)殖場最近約147 m，其周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 爆破環(huán)境Fig.1 Blasting surroundings

1.2 筒倉結構

待拆除結構物為3排筒倉，每排9個，共有筒倉27個，其中18個筒倉高度49.97 m，5個筒倉高度47.77 m，4個筒倉高度9.8 m。為確保拆除施工安全，決定對47.77、49.97 m筒倉采取控制爆破方法拆除，其余則采用機械拆除。待拆筒倉結構參數(shù)如表1所示。

表1 待拆筒倉結構參數(shù)

倉底由鋼筋砼倉底梁及漏斗板連成整體，基礎頂至倉底板頂面(+9.800)混凝土標號C35，其他部位混凝土標號為C30。漏斗板厚度0.6 m，筒倉內(nèi)徑20.62 m、外徑21.38 m、壁厚38 cm，筒壁、倉壁混凝土保護層外側厚30 mm，內(nèi)側厚35 mm，豎向鋼筋為Φ18，環(huán)向鋼筋-2.00～+4.00 m為Φ18@150、+4.00～+8.00 m為Φ20@150、+8.00～+12.00 m為Φ20@100。倉壁拉筋為Φ8雙向梅花形布置，水平間距為每隔一道豎筋設置一組拉筋，豎向間距為每隔一道環(huán)筋設置一組拉筋。

倉底基礎與漏斗板共設置3道橫墻及10根立柱，中間橫墻厚度為0.6 m，兩側橫墻厚度為0.5 m。中間橫墻兩側各設置3個漏斗，共有6個漏斗，漏斗為倒圓錐形狀，錐底至漏斗板高度為6.0 m，錐底距離倉底為3.8 m。

2 拆除爆破設計

2.1 工程特點與技術難點

1)筒倉群建筑結構復雜。筒倉群建筑底部基礎為一個完整結構，頂部通過槽鋼連接，但筒身之間互不連接，同時內(nèi)部有多個漏斗、橫墻、立柱。

2)施工環(huán)境復雜。爆破西南側有煤氣管線與管道輸送帶，警戒范圍內(nèi)涉及市政道路及運輸水道，爆破時需保護周邊重點目標不被破壞，爆破時需中斷道路及水路交通。

3)拆除爆破周期長。因受場地環(huán)境限制，需分次逐排進行爆破施工。

4)時間要求緊。拆除爆破需在要求工期內(nèi)完成，施工時需投入大量人力與機械設備。

5)安全要求高。爆破前需對筒倉進行預處理，施工難度大且有一定的危險性。筒倉高寬比較小，需合理開設爆破切口；單個筒倉質(zhì)量達到3 000多噸，倒塌時要充分考慮對地面沖擊力引起的塌落振動對周邊的影響。

2.2 預處理措施

在確保筒倉安全穩(wěn)定的情況下進行預處理，為主體結構爆破倒塌創(chuàng)造條件。需進行預處理的結構包括筒倉底部橫墻、漏斗板及漏斗、筒倉頂部連接槽鋼、樓梯、電梯井以及爆破切口上方的預切縫。

1)筒倉底部。采用破碎鎬鑿除的結構包括橫墻、立柱、漏斗；采用液壓切割處理的區(qū)域為漏斗板、圈梁及倒塌中心線。

2)筒倉頂部。采用氣焊割斷相鄰筒倉頂部連接槽鋼，將每排的筒倉群分割成獨立結構體。

3)樓梯及電梯井。為確保筒倉傾倒的可靠性，爆破前使用鎬頭機將一層電梯井、樓梯及內(nèi)側立柱破除，剔除該側部分鋼筋，但需保留電梯井后(外)側2根立柱。

4)預切縫施工。圈梁上方沿倒塌中心線位置設置3道豎向預切縫，預切縫開設高度為30 m，中間切割縫寬度0.5 m，兩側對稱切割縫寬度為0.3 m，切割縫采用長臂液壓件鑿除。

2.3 爆破切口設計

1)切口長度。爆破切口長度的大小決定切口形成以后筒倉能否實現(xiàn)偏心失穩(wěn)，如果切口過大可能導致余留部分沒有足夠的支撐力而使筒倉倒塌方向失去控制，甚至出現(xiàn)反向倒塌，也有可能出現(xiàn)傾而不倒的情況。根據(jù)筒倉結構和實際受力情況，借助筒壁出料口選取的切口圓心角為252°，筒倉切口下沿長度為：Le=3.14×21.38×(252/360)=47.0 m，切口上沿長度取34.0 m，傾斜角約為59°(見圖2)。

圖2 爆破切口Fig.2 Blasting cut

2)切口高度。針對鋼筋混凝土筒倉，應考慮切口形成后豎向鋼筋滿足失穩(wěn)條件，應使筒倉在傾倒至較大角度時，切口的上下沿閉合相撞，同時保證重心偏移至結構體外側。切口高度應滿足以下經(jīng)驗公式：

HP≥(1/6～1/4)D

(1)

式中：HP為切口高度，m；D為筒倉切口處直徑，m。筒倉切口高度HP=3.5～5.3 m。綜合考慮實際工程情況，切口高度取10 m。

單個筒倉切口展開如圖3所示。

圖3 單個筒倉爆破切口展開Fig.3 Unfolding blasting cut of single silo

2.4 爆破參數(shù)設計

采用垂直鉆爆方式，布孔位置為筒壁、筒壁墻立柱以及電梯井立柱。

1)筒壁爆破參數(shù)。倒塌中心線兩側3.30 m范圍內(nèi)分為上下2個爆破切口，兩者間隔2.00 m。上部切口布置3排炮孔，高度為0.80 m，下部切口布置5排炮孔，高度為1.60 m，均勻布設梅花形炮孔，筒壁爆破區(qū)域如圖4所示。

最小抵抗線W=δ/2，δ為筒倉切口處的壁厚；炮孔深度L=(0.67～0.80)δ；孔距a=(0.8～1)δ；排距b=(0.8～1)a；單孔裝藥量Q=qabδ，q為單位體積耗藥量，當被爆體為鋼筋混凝土時一般取2.20～2.50 kg/m3；炮孔直徑取d=38 mm。筒壁爆破參數(shù)如表2所示。

圖4 筒壁爆破區(qū)域布置Fig.4 Layout of blasting area of barrel wall

表2 筒壁爆破參數(shù)

2)立柱爆破參數(shù)。炮孔直徑d=38 mm，最小抵抗線W=δ/2，孔距a=(1.2～1.5)W；排距b=0.85a，孔深L=B-δ/2，δ為立柱最小厚度，B為立柱的最大邊長，對于立柱，應垂直于短邊截面穿孔。單孔裝藥量：

(2)

式中：Q為單孔藥量，kg；q為炸藥的單耗，kg/m3；S為立柱截面積，m2；n為布孔的排數(shù)；a為孔距，m。

為方便設計施工，對單個筒倉立柱進行編號標注如圖5所示。

圖5 單個筒倉立柱分布平面Fig.5 Distribution of uprightly post on single siloplan

筒倉壁立柱以及電梯井立柱爆破參數(shù)如表3所示。

表3 立柱爆破參數(shù)

2.5 起爆網(wǎng)路

由于受場地條件限制，待爆23個鋼筋混凝土筒倉全部向北偏東方向傾倒，并分3次進行爆破施工。為減少爆破振動和塌落振動等有害效應，每排筒倉由東向西依次延時爆破，相鄰筒倉之間選用非電雷管MS9，每個筒倉分3個半秒段別延時起爆，A軸孔內(nèi)放置HS3段非電導爆管雷管，B軸孔內(nèi)放置HS4段非電導爆管雷管，C軸和D軸孔內(nèi)放置HS5段非電導爆管雷管。為作業(yè)方便，每10發(fā)雷管構成一簇，綁扎2發(fā)MS3段接力雷管，再分別用四通連接分片炮區(qū)形成回路。

3 爆破安全設計

3.1 爆破振動校核

本次拆除爆破中需重點保護目標是煤氣管道及管道輸送帶。采用爆破振動經(jīng)驗公式[1-2]:

(3)

式中：Q為最大一段(次)起爆的炸藥量，筒倉A軸炮孔最大裝藥量31.61 kg，其中筒壁18.81 kg，立柱12.80 kg；v為被保護目標的安全振動速度，cm/s；K′為毫秒延時控制爆破修正系數(shù)，取0.5～0.8；R為爆點中心至被保護目標的距離，m；K、α為與爆破地形、地質(zhì)條件等有關的系數(shù)和地震波衰減指數(shù)，K=150，α=1.6。

本次爆破允許振動閾值≤3 cm/s，各保護目標振動校核結果均小于本次爆破允許振動速度3 cm/s，爆破振動效應不會對周邊保護目標造成損壞。

在爆破施工中精確計算一次起爆所允許的最大單段裝藥量，將爆破振動嚴格控制在安全范圍之內(nèi)。單筒前后部位分別采用3個段別的孔內(nèi)延時爆破技術，降低了一次齊爆藥量；相鄰筒倉之間采用孔外毫秒延時起爆，每排筒倉實現(xiàn)逐筒延時分段起爆，有效降低了爆破振動。

3.2 塌落振動校核

根據(jù)量綱分析方法，集中質(zhì)量(沖擊或塌落)作用于地面產(chǎn)生的塌落振動速度用下式[3-5]確定：

(4)

(5)

式中：vt為塌落振動速度，cm/s；R為觀測點至撞擊中心的距離，m；M為下落構件的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為構件重心高度，m。

筒倉最大質(zhì)量M=3.245×106kg，H=25 m。最近的觸地振動速度為2.15 cm/s，滿足爆破規(guī)程3.0 cm/s的要求[6]。鋼筋混凝土筒倉壁撞擊地面時產(chǎn)生的振動危害比爆破時的更大，在預期爆堆位置堆筑多道高1.5～2.0 m、寬約2.5 m的減振土堤以減少撞擊地面能量。

3.3 爆破飛石校核

待拆除筒倉周邊有管道、建筑物、道路，需防止爆破飛石造成破壞。爆破飛石距離可由經(jīng)驗公式[7-8]計算：

R=KTKD

(6)

式中：KT為與爆破方式、填塞長度、地質(zhì)和地形條件有關的系數(shù)，結構物爆破一般取KT=1.2～1.5，鋼筋混凝土取大值；K為炸藥單耗，kg/m3，取3.02 kg/m3；D為炮孔直徑，mm，本次爆破D=38 mm，R為爆破飛石飛散距離，m，計算得飛石最大飛散距離為172 m。

爆破飛石防護主要針對筒壁外側及側面立柱炮孔產(chǎn)生的飛石，主要采取的措施[9]如下。

1)布孔前詳細測量爆體尺寸，確保實際最小抵抗線不小于設計值；使最小抵抗線方向避開重點保護目標，傾倒方向指向開闊區(qū)。

2)降低筒倉的爆破切口位置，爆破時在切口部位用雙層竹笆防護與一層綠網(wǎng)進行防護，然后用鐵絲綁扎，這可有效減少爆破飛散物。

3)南側煤氣管道上方覆蓋一層竹笆片，北側筒倉之間使用毛竹搭設一排高6 m的防護屏障，采用膨脹螺絲進行固定，排架上掛設一層竹笆片、密目網(wǎng)進行離體防護。

4)爆破前清理干凈倒塌范圍內(nèi)的石塊，并用多層密目網(wǎng)覆蓋倒塌區(qū)域，防止二次飛濺。

4 爆破效果與結語

4.1 爆破效果

起爆后，筒倉在倒塌過程中沒有出現(xiàn)后坐現(xiàn)象，倒塌長度范圍47～55 m，倒塌角度與設計方向相符(見圖6)，3次拆除爆破工作安全、可靠，達到預期目的。

圖6 筒倉群三次爆破效果Fig.6 Three times blasting effect of silo group

4.2 結語

1)認真研究筒倉群結構特點和分布情況，對橫墻、立柱、漏斗、中心切縫進行預處理，保證了筒倉群倒塌方向的精準性。為確保筒倉在倒塌時充分彎折，觸地后完全解體，預切口角度控制在220°以上，切口高度可適當大于理論計算值。

2)第三排筒倉后側附屬的電梯井加大了倒塌難度，為避免倒塌時出現(xiàn)后坐現(xiàn)象，需鑿除電梯井靠近筒倉的內(nèi)側立柱，外側立柱則保留，增加炸高，這可保證切口爆破后能快速形成傾倒趨勢，確保電梯井與結構體倒塌速度一致。

3)因筒倉結構的動力載荷響應滯后性，單個筒倉內(nèi)部各軸炮孔選用半秒延時非電雷管，有助于結構物的失穩(wěn)和倒塌；相鄰筒倉間采用毫秒延時雷管，可有效減少筒倉群倒塌產(chǎn)生的觸地沖量。